آشنایی با یکی از قدرتمندترین ابزارهای نوآوریهای فناورانه
#
لندن،خبرگزاری جمهوری اسلامی 03/12/81
خارجی.علمی.فناوری.ایزار.
محققان موفق شده اند با ترکیب توانائیهای عملی حاصل از رایانه ها با
بصیرتهای نظری حاصل از نظریه تطور داروینی، ابزار قدرتمندی برای ابداع
فناوریهای تازه بوجود آورند که محصولات آن اینک در اغلب قلمروهای علمی و
صنعتی و تکنولوژیک تحولاتی انقلابی پدید آورده است.
تطور گونه های زیستی فرایند خلاق شگفت انگیزی است که قادر است از عناصر
شیمیایی درون تک سلولها، ساختارهایی به پیچیدگی مغز آدمی خلق کند. آنچه
که بر زیبایی و شگفتی این فرایند می افزاید سادگی مکانیزمی است که در آن
به کار گرفته شده است. تطور با استفاده از سه خاصیت "جهش"، "تولید مثل
جنسی" و "انتخاب طبیعی" می تواند از ساده ترین امور به شیوه ای گام به گام،
به پیچیده ترین پدیده ها با خواص حیرت انگیزدست یابد.
اکنون متخصصان رایانه ها در تلاشند تا با بهره گیری از همین خواص ساده،
در فضای کامپیوتری به پدیده "هوش مصنوعی" دست یابند و ماشینها و
دستگاههای واقعا "هوشمند" ابداع کنند.
این رشته جدید که "برنامه ریزی ژنتیکی" نام دارد توجه خود را به تولید
نرم افزارها و سخت افزارهایی معطوف داشته که قادرند، نظیر موجودات زنده،
گام به گام، نقایص خود را برطرف سازند و به هدف اصلی که برای آن طراحی
شده اند نزدیکتر گردند.
دانش "برنامه ریزی ژنتیکی" که دانشی بسیار جوان است تاکنون تنها در
قلمرو علم الکترونیک موفق شده است 15 ابداع و اختراع مهم را که به وسیله
متخصصان و با بهره گیری از شیوه های متعارف تکمیل شده و به ثبت رسیده بود،
عینا و صرفا با استفاده از ماشینهای هوشمند (یعنی ترکیب نرم افزارها سخت
افزارهای "ژنتیکی")بازسازی کند.
شش نمونه از این ابداعات بازسازی شده عینا نظیر نمونه های اصلیند. هشت
نمونه به سهم خود ابداعات جدید به شمار می آیند، زیرا شیوه های به کار
گرفته شده در نمونه های اصلی را بهبود بخشیده اند و یک نمونه نیز به وضوح
بر نمونه اصلی و سرمشق خود برتری دارد.
موفقیتهای این دانش جدید تنها به حوزه الکترونیک محدود نمی شود.
دانش "برنامه ریزی ژنتیکی" در عمر کوتاه خود توانسته به زیست شناسان
در تشخیص رشته های طولانی پروتئینها و کشف راز از ساختار پیچیده انها کمک
کند.
در زمینه طراحی آنتنهای مخابراتی با طراحان انسانی به رقابت
بپردازد، و الگوریتمهای همه کاره ای ارائه دهد که برای اعمال کنترل در
بخشهای مختلف صنعتی و تکنولوژیک بر الگوریتمهایی که ریاضی دانان عرضه
کرده اند برتری دارد.
نخستین حوزه کاربرد این دانش جدید حوزه طراحی محصولات مختلف است.
طراحی نیازمند اتخاذ نوعی رهیافت مساله محور است. از این گذشته در
طراحی می باید میان عوامل ناسازگار آشتی برقرار کرد و بالاخره اینکه در
طراحی همه عناصر موثر می باید در وضع و ترتیب (توپولوژی ) بهینه در کنار
هم جای گیرند. همه این جنبه های سه گانه در زمره اموری هستند که "برنامه
ریزی ژنتیکی" بخوبی می تواند در آن هنرنمایی و قدرت نمایی کند.
تفاوت رهیافت برنامه ریزی ژنتیکی با رهیافت انسان در آنست که مخترعان
و مبتکران معمولا با استفاده از مدلهای خاص و با گزینش بخشهای خاصی از یک
مساله پیچیده به حل آن اقدام می کنند، در حالیکه در روش برنامه ریزی
ژنتیکی، هدف تولید رشته هایی از عناصر دخیل و موثر است که در هر گام،
نتایج بهتری ببار می آورند. به این ترتیب در این روش راهها و شیوه های
ظهور پیدا می کنند، که ممکن است هیچگاه به ذهن آدمیان خطور نکرده باشد.
برنامه ریزی ژنتیکی در هر حوزه ای که وارد عمل شود، کار را با شماری
از "ارگانیزمها" در فضای مجازی شروع می کند. این ارگانیزمها جمعیت اولیه
"محیط" را تشکیل می دهند و برای هرکدام خواصی در نظر گرفته شده است.
به عنوان مثال فرض کنید ریاضی دانی با یک منحنی روبرو شده و قصد دارد
با قریب خوب یک معادله ریاضی برای این منحنی پیدا کند. در این حال
"ارگانیزمها" عبارتند از اعداد، و نیز عملیات اصلی حساب نظیر جمع و تفریق
و ضرب و تقسیم.
"اصلح بودن" هر معادله بر اساس میزان نزدیکی نتایج آن به منحنی مورد
نظر ارزیابی می شود. معادلاتی که نتایج شان ضعیف است حذف می شوند و
معادلاتی که بر جای می مانند ترکیب می شوند (مشابه تولید مثل جنسی در حوزه
طبیعی ) تا محصولی کارامدتر ببار آورند.
به عنوان مثال ترکیب معادله "2 - (a+1)" با معادله "(a x a) + 1"
ممکن است منجر به تولید معادله "(a x (1 + a)) + 1" شود که احیانا بهتر
از دو معادله قبلی با منحنی مورد نظر انطباق دارد.
در برنامه ریزی ژنتیکی علاوه بر استفاده از شیوه "توالد و تناسل"،
حدود 9 درصد از "اصلحترین " ارگانیزمهای موجود نیز بدون آنکه تغییری در
ساختارشان داده شود، بازتولید می شوند و در گام بعدی (که به منزله نسل
بعدی در فرایند تطور زیستی است ) به همین ترتیب همگام با فرایند تطور
زیستی، در برنامه ریزی ژنتیکی نیز یک درصد از برنامه دچار "جهش" می شود.
مثلا 2 + a ممکن است به صورت 2 + (a x 3) نوشته شود.
این امر که به صورت الله بختکی و تصادفی صورت می پذیرد به این نیت
انجام می شود یک تغییر تصادفی احیانا ممکن است به بهبود کلی راه حلها
بینجامد.
می توان به فرایند تطور به چشم جستجو برای دستیابی به همه الگوریتمها
(راه حلهای ) ممکن نظر کرد. عمل "تولید مثل " بدیع ترین نوع جستجوست،
زیرا حدود 90 درصد از "ارگانیزمها" را در هر "نسل" بوجود می آورد. "جهش"
به صورت محلی و موضعی عمل می کند و فایده یا ضرر آن به نزدیکترین
ارگانیزمهایی که در کنار آن قرار دارند می رسد.
مثال پیچیده تری برای کارکرد "برنامه ریزی ژنتیکی" تولید نرم افزاری
است که برای دسته بندی رشته های پروتئینها مورد استفاده قرار می گیرد. در
این حال برنامه ریزی ژنتیکی نظیر فرایندهای زیستی عملیات مربوط به تکثیر،
حذف خلق، تکرار، حیا ژنها را (البته در فضای مجازی ) به انجام می رساند.
در حوزه الکترونیک نیز برنامه ریزی ژنتیکی مدکار عمده ای برای
ابداعات و نوآوریها به شمار می اید. به عنوان نمونه در طراحی مداری موسوم
به فیلتر یا صافی مخصوص عبور فرکانسهای پائین که از آن در دستگاههای صوتی
مرغوب استفاده می شود، از این شیوه بهره گرفته می شود.
در این حال طراح، عناصری را که باید در مدار به کار رود، نظیر
ترانزیستورها، مقاومتها، خازنها وامثالهم رامشخص می کند و حداکثر فرکانسی
را که فیلتر می باید بپذیرد نیز تعیین می کند. آنگاه برنامه ژنتیکی کار
خود را برای طراحی مدار نهایی با یک مدار "جنینی" آغاز می کند. این مدار
جنینی تنها یک سیم ساده است که ورودی را به خروجی متصل می کند.
در هر گام با اعمال دستورالعملهای مربوط به کارکردهای مختلف مداری،
اجزا گوناگون مدار شکل می گیرند و در هر نوبت بازده آنها نسبت به بازده
بهینه سنجیده می شود.
برنامه ریزی ژنتیکی در پایان کار هم مناسب ترین اجزا را برای مدار
فیلتر با مشخصات مورد انتظار عرضه می کند و هم بهترین نحوه اتصال این
اجزا (توپولوژی مداری ) را تعیین می کند.
یکی از تازه ترین تحولاتی که سبب شده تا کارای ی "برنامه ریزی ژنتیکی "
ابعاد گسترده تری پیدا کند، تولید تراشه هایی است موسوم به "دروازه های
قابل برنامه ریزی و شکل پذیر با سرعت بسیار زیاد". این تراشه ها که حاوی
هزاران سلول دیجیتالی هستند در چند نانو ثانیه می توانند نحوه ارتباط و
اتصال اجزای درونی خود را تغییر دهند و خواص تازه ای از خود ظاهر سازند.
از این تراشه ها برای آزمودن شرایطی که در هر مرحله از "تطور" برنامه
ژنتیکی پدید آمده استفاده می شود.
برنامه ریزی ژنتیکی با تقلید از تطور زیستی به توانائیهای زیادی دست
یافته است. به عنوان مثال، در تطور زیستی طی میلیونها سال تغییرات
تدریجی، مناسب ترین اشکال انطباق ارگانیزمها با محیط ظاهر می شوند.
در برنامه ریزی ژنتیکی با استفاده از رایانه های سریع این زمان چند
میلیون ساله به چند روز تقلیل می یابد. در تطور زیستی در طبیعت
ارگانیزمهایی که در شرایط "مجزا یا ایزوله بودن نسبی" هستند بهتر تطور
می یابند. در برنامه ریزی ژنتیکی این خاصیت از طریق استفاده از رایانه
های مختلف که به صورت خوشه ای به هم متصلند ایجاد می شود. این امر با بهره
گیری از رایانه های شخصی قدیمی قابل دستیابی است.
یکی از برجسته ترین موفقیتهای برنامه ریزی ژنتیکی، تولید برنامه ای
است که قادر است اختراعات تازه ای را که برای ثبت شدن به اداره ثبت
اختراعات می رسد، با دقت ارزیابی کند و مشخص سازد آیا این ابداع یا
اختراع به واقع محصولی تازه و بدیع است یا آنکه نظیر آن در گذشته عرضه
شده است.
آلن تورینک ریاضی دان و منطق دان انگلیسی و پدر رایانه های مدرن، سه
راه برای تولید ماشینهای هوشمند پیشنهاد کرده بود. راه اول متکی به
استفاده از منطق بود و دومی به بهره گیری از معرفت متخصصان اتکا داشت و
سومی از فرایند تطور مدد می گرفت.
"برنامه ریزی ژنتیکی" تحقق این بخش سوم از برنامه تورینک به شمار
می آید و موفقیتهای آن می تواند بر همه حوزه های معرفتی تاثیری انقلابی
برجای گذارد.
علمی./70
ساعت : 32:10 تمام